氣象雷達

氣象雷達是專門用於大氣探測的雷達。屬於主動式微波大氣遙感設備。與無線電探空儀配套使用的高空風測風雷達,隻是一種對位移氣球定位的專門設備,一般不算作此類雷達。

氣象雷達是用於警戒和預報中、小尺度天氣係統(如台風和暴雨雲係)的主要探測工具之一。

常規雷達裝置大體上由定向天線、發射機、接收機、天線控製器、顯示器和照相裝置、電子計算機和圖象傳輸等部分組成。

工作在30~3000兆赫頻段的氣象多普勒雷達。一般具有很高的探測靈敏度。因探測高度範圍可達1~100公裏,所以又稱為中層-平流層-對流層雷達(MST radar)。它主要用於探測晴空大氣的風、大氣湍流和大氣穩定度(見大氣靜力穩定度)等大氣動力學參數的鉛直分布。

氣象雷達使用的無線電波長範圍很寬,從1厘米到1000厘米。它們常被劃分成不同的波段,以表示雷達的主要功能。氣象雷達常用的1、3、5、10和20厘米波長各對應於K波段(波長0.75~2.4厘米)、X波段(波長2.4~3.75厘米)、C波段(波長3.75~7.5厘米)、S波段(波長7.5~15厘米)和L波段(波長15~30厘米),超高頻和甚高頻雷達的波長範圍分別為10~100厘米和100~1000厘米。雷達探測大氣目標的性能和其工作波長密切有關。把雲雨粒子對無線電波的散射和吸收結合起來考慮,各種波段隻有一定的適用範圍。常用K波段雷達探測各種不產生降水的雲,用X、C和S波段雷達探測降水,其中S波段最適用於探測暴雨和冰雹,用高靈敏度的超高頻和甚高頻雷達可以探測對流層-平流層-中層的晴空流場。

雷達結構

MST雷達的結構和氣象多普勒雷達大致相同。其特點在於:它們一般配備了大型天線(天線陣),有些甚高頻段雷達的天線陣,尺度達30~200米,采用半波振子陣或八木天線振子陣,以相控方式實現波束掃描。超高頻段雷達采用直徑幾十米的可動拋物麵天線,這類雷達的發射功率在幾百千瓦至2兆瓦之間,發射功率和天線麵積的乘積值在10~10瓦·米之間。此外,為獲得高靈敏度和高空間分辨率,在脈衝發射體製和回波數據處理方麵,也采取一些技術措施

工作原理

氣象雷達通過方向性很強的天線向空間發射脈衝無線電波,它在傳播過程中和大氣發生各種相互作用。如大氣中水汽凝結物(雲、霧和降水)對雷達發射波的散射和吸收;非球形粒子對圓極化波散射產生的退極化作用,無線電波的空氣折射率不均勻結構和閃電放電形成的電離介質對入射波的散射,穩定層結大氣對入射波的部分反射;以及散射體積內散射目標的運動對入射波產生的多普勒效應等。

氣象雷達回波不僅可以確定探測目標的空間位置、形狀、尺度、移動和發展變化等宏觀特性,還可以根據回波信號的振幅、相位、頻率和偏振度等確定目標物的各種物理特性,例如雲中含水量、降水強度、風場、鉛直氣流速度、大氣湍流、降水粒子譜、雲和降水粒子相態以及閃電等。此外,還可利用對流層大氣溫度和濕度隨高度的變化而引起的折射率隨高度變化的規律,由探測得到的對流層中溫度和濕度的鉛直分布求出折射率的鉛直梯度,並通過分析無線電波傳播的條件,預報雷達的探測距離,也可根據雷達探測距離的異常現象(如超折射現象)推斷大氣溫度和濕度的層結。

種類劃分

凡是不具有多普勒性能的雷達稱為非相幹雷達或常規氣象雷達,具有多普勒性能的雷達稱為相幹雷達或多普勒雷達。主要的氣象雷達有: